Б Лучков - Ураганы — вечная проблема?

Доктор физико-математических наук Б. Лучков, профессор МИФИ

Ураганы — вечная проблема?

На Земле — самой спокойной и, скорее всего, единственной приспособленной к жизни планете Солнечной системы — все же случаются природные катастрофы. Одни из самых опасных — штормы и ураганы, вызывающие огромные разрушения, экологические бедствия, неизмеримость (вопреки цифрам) человеческих жертв. Наука давно ищет способы устранения этих катаклизмов, но способна пока лишь на долговременный прогноз мест их появления и степени опасности. Поиски «рычагов воздействия» на непокорную природу продолжаются. С появлением более мощных технических средств, в первую очередь связанных со спутниками и исследованием космоса, возобновляются попытки «обуздания» катастроф. И в последнее время получены определенные результаты по выявлению причин возникновения ураганов и возможности укрощения их силы.

Буря мглою небо кроет…

Тропические циклоны и ураганы

Циклон выходит на побережье. Снимок НАСА.

Тропики — самое горячее место на Земле. Здесь Солнце, находящееся в зените, наиболее сильно нагревает сушу и океан, поверхностная температура которых оказывается самой высокой. Средним и полярным широтам достается намного меньше солнечного тепла. Чтобы избежать тропического перегрева и равномерно распределить тепло по планете, природа привела в действие воздушные и морские течения (муссоны, пассаты, Гольфстрим), которые из-за своей медлительности не справляются полностью с задачей глобального переноса тепла. На помощь приходят тропические циклоны, вихревые потоки в атмосфере, дающие более быстрый и эффективный отвод солнечной энергии из экваториальной зоны. Тропические циклоны возникают в результате трения воздушных потоков о поверхность суши (океана) и действия силы Кориолиса, связанной с вращением Земли. Самые мощные и разрушительные циклоны — тропические штормы и ураганы. Они — неизбежные и весьма полезные проявления земной погоды, осуществляющие быстрый перенос тепла. Без них Земле грозил бы «тепловой удар», наверное, еще более страшный, чем сами ураганы. Отсюда, однако, не следует, что на их разрушительную силу нельзя повлиять. Молнии — тоже неизбежный и полезный этап развития грозы, но их угрозу успешно устранил молниеотвод Б. Франклина, неудачно названный громоотводом.

С тропическими ураганами в Атлантике европейцы познакомились после открытия Америки Колумбом, когда многочисленные суда стали бороздить океан, направляясь в Новый Свет. Корабли и целые флотилии гибли от свирепых бурь, окрещенных адмиралом Ф. Бофортом ураганами. Шекспировская «Буря» — исторически верное свидетельство урагана 1609 года, который преградил путь кораблям колонистов и заставил их высадиться на необитаемых Бермудских островах. Восточные, в Тихом и Индийском океанах, мощные тайфуны были известны намного раньше.

По классификации, введенной Бофортом в 1802 году, шторм — это тропический циклон со скоростью ветра более 17 м/с, ураган — ветер рвет паруса, его скорость больше 33 м/с, главный ураган — скорость свыше 50 м/с (около 200 км/ч). Максимальная скорость ветра в урагане доходила до 550 км/ч. Американский исследователь У. Редфилд собрал первые сведения об ураганах Атлантического океана и правильно описал их как единые спиральные структуры (1831). Он же предложил первую (циркуляционную) модель тропических циклонов. Их систематическое исследование, положившее начало попыткам обуздать ураганы, стало возможным только в XX веке и наиболее полно во второй его половине, с запуском искусственных спутников. Наблюдения с них позволили наконец проследить эволюцию развития урагана с момента его зарождения и выявить пути следования. В настоящее время работает разветвленная служба слежения за ураганами.

Разрушительные ураганы с многочисленными жертвами бывали и раньше. Но череда страшных атлантических ураганов, материальные потери от которых исчисляются миллиардами долларов, а жертвы — сотнями и тысячами жизней, пришлась на наше время: конец прошлого — начало нового века: Hugo (1989), Andrew (1992), Opal (1995), Mitch (1998), Georges (1998), Charlie, Frensis, Ivan, Jeanne — 2004. В 2005 году прошел двадцать один ураган, среди которых особенно разрушительными стали Katrina, Rita, Sten, Vilma, затопившие Новый Орлеан и уничтожившие нефтяные платформы в Мексиканском заливе. В последнее время наблюдаются цепочки ураганов, следующих друг за другом по одному пути, что указывает на возможность множественной генерации тропических циклонов, на режим супертайфуна, охватывающего заметную часть экватора.

Модели и теории

Условия образования тропического циклона, перерастающего в ураган, хорошо известны. Он возникает там, где высока температура воды (не менее 26 градусов). Это первое необходимое условие обеспечивает сильное испарение с поверхности океана, насыщение вихря водяным паром. Второе условие менее прозрачно, но столь же необходимо — малый градиент (перепад) скорости ветра по высоте вихря, который поддерживает конвективные облачные ячейки (его энергетические «батарейки») и не дает циклону распасться на мелкие вихри. Известен ряд сопутствующих факторов: резкий температурный контраст поверхности океана, скопление кучевых облаков и т. д. Подмечены корреляции ураганов с другими погодными явлениями: циркуляцией ветров в стратосфере, дождями в Западной Африке, явлением Эль-Ниньо (загадочным потеплением воды в Тихом океане).

Рис. 1. Временная зависимость главных ураганов Северной Атлантики.

В разное время создавались модели развития ураганов, вначале феноменологические, позднее физически обусловленные, основанные на известных процессах теплообмена между атмосферой и океаном. Удивительно — лучшее согласие с наблюдениями давали модели «среднего уровня», описывающие поведение вихря не слишком подробно, но и не очень грубо. Изощренные модели упускали, видимо, какую-то важную «деталь», которая в простых представлениях незримо присутствовала. В целом модели давали правильный ход развития уже возникшего шторма, набор его энергии и разрушительной силы.

Ураган — это автономно развивающаяся термодинамическая система (тепловая машина Карно), в которой имеются два температурных уровня: высокий (температура океана), низкий (верхнего слоя тропосферы) и теплоноситель — водяной пар. Выделяемая энергия черпается из тепловой энергии океана и потенциальной энергии высотной неустойчивости атмосферы, переходящих в кинетическую энергию вихря. Пока ураган движется над океаном, его сила нарастает, но, выйдя на сушу, он теряет связь с энергетическим источником и быстро, за несколько дней, затухает, успев, однако, наломать немало дров. Разрушительная сила урагана не только в его огромной скорости и мощи ветра, но и в обилии влаги, вызывающей проливные дожди, наводнения, сели, обвалы.

Сценарий развитого шторма, перерастающего в ураган, а затем — в главный ураган, хорошо «работает», то есть достаточно правильно описывает реальные явления. Остается непонятым, почему ураганы образуются в строго определенных местах (атлантические — у берегов Западной Африки, тихоокеанские — в районе Филиппин и Индонезии) и в особые моменты времени, тогда как в другое время те же по виду тропические циклоны не становятся ураганами. До сих пор не понят механизм возникновения циклона, в котором начинает «на автомате» работать «машина Карно». По-видимому, нужна начальная встряска, некий спусковой механизм, порождающий первичный автономный вихрь.

«Стратегия сдерживания»

В 1980-х годах, после того как были выявлены условия генерации ураганов и созданы «хорошие» модели их развития, предпринимались попытки всей силой техники обуздать ураганы или хотя бы снизить их угрозу — истощить на подходе к населенным местам, увести в сторону. «Глаз урагана» — центральную часть вихря диаметром 20–50 километров, окаймленную плотной стеной облаков и хорошо видную на снимках из космоса, — обстреливали мощными зарядами. Вблизи Флориды, Луизианы, Техаса, куда обычно залетали разбушевавшиеся вихри, на них сбрасывали йодные препараты с целью вызвать искусственное выпадение осадков, как это делается с дождевыми облаками на подступах к Москве в дни праздников. Лишенный водяного пара ураган должен был потерять и свою механическую силу. Эти меры ничего не дали. На пути урагана ставили айсберги, срочно доставляемые от берегов Гренландии с надеждой «охладить» его пыл. Ураган проносился, не задерживаясь и не замечая преград. Слишком слабы были эти «уколы» для вихря, энергия которого составляла около 1017 джоулей с фронтальной плотностью порядка 100 Дж/см2.